ФЕРМЕНТЕР Российский патент 2002 года по МПК C12M1/06 

Ферментер предназначен для реализации биотехнологических процессов и может быть использован с любыми видами микроорганизмов и отдельной ткани в пищевой и медицинской промышленности и исследовательской практике.

Известен ферментер, (У.Э.Виестур, М.Ж.Кристапсонс, Е.С.Былинкина, Культивирование микроорганизмов. М. : Пищевая промышленность, с.142, 1980 г.) имеющий концентрично расположенный в центре диффузор с турбиной-мешалкой. Для насыщения культуральной жидкости кислородом воздух подают под мешалку через кольцевой коллектор, который размещают у днища ферментера. Дополнительную циркуляцию культуральной жидкости осуществляют насосом, который засасывает ее в нижней части ферментера и возвращает в верхнюю часть для пеногашения.

Известный ферментер используется при производстве дрожжей и имеет следующие недостатки, заключающиеся:
- в неизбежном интенсивном вспенивании рабочей среды в процессе перемешивания и диспергирования аэрирующего воздуха в жидкость, что значительно затрудняет газообмен рабочей среды вследствие множественного образования трудно разрушаемых пузырей аэрирующего и метаболитного газов, прочно удерживающих указанные газы в своих оболочках;
- в использовании пеногасящих средств, усложняющих конструкцию ферментеров и требующих применения дорогостоящих поверхностно-активных веществ;
- в значительных потерях используемого сырья и получаемых продуктов, выбрасываемых вместе с пеной на неомываемые поверхности ферментеров, где происходит их деструкция;
- в снижении скорости ферментативных реакций из-за фазового расслоения компонентов рабочих сред, вызываемого локальным перемешиванием рабочей среды, часто на больших оборотах мешалки.

Ближайшим аналогом является Биореактор (патент SU N1302691, С 12 М 1/06, публ. Бюл. от 28.02.94). Известный аппарат содержит емкость с крышкой и патрубками для подачи субстрата, отвода газа и слива готового продукта, циркуляционную трубу с прорезями в нижней части и раструбом в верхней части, выполненным в виде усеченного конуса с радиально установленными вертикальными отбойными пластинами. Устройство для циркуляции реакционной смеси состоит из установленных на приводном валу двух осевых насосов, расположенных в полости раструба, и прорезей циркуляционной трубы. Биореактор имеет эрлифтный насос установленный в байпасном трубопроводе для аэрации и протока реакционной смеси из нижней части емкости в верхнюю. Кроме того, на приводном валу укреплен диск для равномерного распределения газожидкостной реакционной среды по периметру емкости, а на дне емкости установлен сетчатый фильтр для отделения нерастворимых компонентов реакционной среды от жидкости.

К недостаткам биореактора можно отнести наличие в нем насоса, размещенного в полости раструба, при работе которого в приповерхностном слое рабочей среды образуются турбулентные газожидкостные потоки создающие пену, которая не только ухудшает условия поверхностного газообмена, но и способствует выбросам из рабочей среды на неомываемую поверхность емкости, расположенную выше вращающегося диска, биомассы микроорганизмов, исходного субстрата и производимого продукта, что снижает производительность и качество синтезируемых продуктов.

Газовая полость биореактора продувается отработанным воздухом, который диспергируется в реакционную среду посредством насоса, размещенного в байпасном трубопроводе, что интенсифицирует образование пены и снижает эффективность ее продувки.

Верхний привод насосов является активным источником обрастания приводного вала в зоне фазового раздела газ - жидкость как биомассой продуцента, так и компонентами субстрата и продукта, что приводит к локальному неуправляемому синтезу, как правило, побочных продуктов, снижающих выход целевого продукта. Указанные недостатки не позволяют увеличить рабочий объем биореактора и обеспечить необходимое качество получаемых продуктов, так как биореактору присущи недостатки, связанные с наличием пены, обрастанием неомываемых поверхностей микроорганизмами и налипанием на них субстрата и продукта, что не позволяет увеличить производительность и улучшить качество получаемых продуктов.

Технический результат изобретения заключается в повышении производительности и снижении себестоимости получаемых биопродуктов.

Этот результат достигается тем, что в ферментере, включающем емкость с крышкой, снабженную расположенной в ней циркуляционной трубой с раструбом, насосом и патрубками для протока воздуха и рабочей жидкости, укрепленными в раструбе отбойными пластинами, и байпасный контур для циркуляции рабочей жидкости, согласно изобретению на дне емкости по периметру радиально укреплены направляющие пластины для создания в ней направленного потока рабочей жидкости, а под крышкой емкости размещен аэратор, при этом байпасный контур содержит газожидкостной разделитель, связанный трубопроводом с установленной в емкости трубкой заданного уровня рабочей жидкости, и мембранный дозатор, подключенный трубопроводами к газожидкостному разделителю и емкости, а также тем, что аэратор выполнен в виде кольцевого коллектора с радиально расположенными отверстиями.

Изобретение подтверждается чертежом.

Ферментер содержит емкость 1 с крышкой 2 и патрубками 3, 4, 5 для протока аэрирующего воздуха и рабочей жидкости, размещенную в емкости 1 циркуляционную трубу 6 с раструбом 7, в котором закреплены отбойные пластины 8. В нижней части емкости 1 установлен насос 9. Ферментер снабжен байпасным контуром для циркуляции рабочей жидкости, образованным трубопроводами 10, 11 и газожидкостным разделителем 12, и содержит дозатор 13 с мембраной 14, а также паростерилизуемый разъем 15 с раздаточным штуцером 16 и заглушкой 17, бактериальные фильтры воздуха 18, 19, аэратор 20 с отверстиями 21, трубку 22 рабочего уровня среды в ферментере, теплообменник 23, направляющие пластины 24, муфту 25 сцепления с электродвигателем 26; управляемые клапаны 27, 28, 29, 30, 31 и прибор 32 управления.

На дне емкости 1, по периметру, радиально закреплены направляющие пластины 24 для создания в ней направленного потока рабочей жидкости.

Теплообменник 23 выполнен, например, в виде отрезка трубы, изогнутой по периметру стенки емкости 1, и закреплен на направляющих пластинах 24.

Насос 9 снабжен широколопастной турбиной, лопасти которой закреплены по винтовым линиям на муфте 25 сцепления с электродвигателем 26.

Циркуляционная труба 6 выполнена, например, в виде отрезка трубы с площадью проходного сечения, равной площади сечения кольцевого зазора, образованного стенкой трубы 6 и стенкой емкости 1 и установлена на направляющих пластина 24. Раструб 7 снабжен отбойными пластинами 8, посредством которых он закреплен на трубе 6.

Аэратор 20 выполнен в виде кольцевого коллектора с радиальными отверстиями 21 и закреплен в полости крышки 2 по ее периметру. Аэратор 20 трубопроводом соединен с бактериальным фильтром 18 воздуха., сообщенным с атмосферой.

Трубка 22 рабочего уровня среды в ферментере установлена по оси ферментера в патрубке 4, таким образом, что один конец трубки 22 опущен в полость емкости 1 на уровень рабочей среды в ферментере, соответствующий 90% его заполнения.

Газожидкостной разделитель 12 выполнен в виде герметизируемой емкости, верхняя полость которой сообщена посредством трубопроводов с трубкой 22 рабочего уровня среды в ферментере и бактериальным фильтром 19, сообщенным с атмосферой.

На вход дозатора 13 подаются импульсы сжатого воздуха, обеспечивающие выход заданной дозы.

Паростерилизуемый разъем 15 выполнен в виде распределительного коллектора, снабженного раздаточным штуцером 16, герметично закрытым резиновой заглушкой 17 и клапанами 27, 28 для протока насыщенного водяного пара и клапаном 29 для протока рабочей среды из дозатора 13.

Дозатор 13 посредством трубопроводов с клапанами 30, 31, соответственно, сообщен с нижней полостью газожидкостного разделителя 12 и через патрубок 5 - с емкостью 1.

Прибор 32 управления выполнен в виде микропроцессорного контроллера, обеспечивающего программную работу ферментера посредством управления клапанами 27, 28, 29, 30, 31 и электродвигателем 26.

Ферментер работает следующим образом, емкость 1 на 90% заполняют рабочей средой, вносят инокулюм микроорганизмов-продуцентов заданного продукта, на приборе 32 управления задают параметры процесса по температуре, расходу аэрирующего воздуха, частоте работы дозатора 13, вращения турбины насоса 9 и производят запуск указанных программ. При запуске программ включается электродвигатель 26, вращение от которого, через магнитную муфту 25 передается турбине насоса 9. Рабочая среда захватывается широкими лопастями турбины и плавно прокачивается через циркуляционную трубу 6. Для фиксации направления потока рабочей жидкости по вертикали ферментера в емкости 1 закреплены направляющие пластины 24, а в раструбе 7 - отбойные пластины 8, гасящие центробежные силы насоса 9, стремящиеся раскрутить рабочую жидкость вокруг оси ферментера и, тем самым, уменьшить скорость протекания рабочей жидкости через поверхность фазового раздела под крышкой 2 емкости 1.

Одновременно с работой насоса 9 в аэратор 20 подается воздух, который предварительно очищается от микроорганизмов в фильтре 18 и далее через отверстия 21 равномерно распределяется под крышкой 2 емкости 1, где осуществляется газообмен рабочей жидкости.

Отводится отработанный воздух через трубку 22. Для установки заданного уровня рабочей жидкости в ферментере трубка 22 имеет возможность вертикального перемещения без нарушения герметизации емкости 1. Размещение аэратора 20 и трубки 22 под крышкой емкости позволяет оптимизировать продувку газообменной полости ферментера и препятствует образованию воронки рабочей жидкости в полости раструба 7, так как отбор отработанного воздуха осуществляется в противотоке с направлением движения рабочей жидкости.

Любое приращение рабочего объема в ферментере, связанное с внесением в него титранта или добавок среды, вытесняется из ферментера по байпасному трубопроводу 10 в газожидкостной разделитель 12 с потоком продуваемого воздуха, после чего отработанный воздух, свободный от капельной жидкости, очищается в бактериальном фильтре 19 и отводится в атмосферу.

В газожидкостном разделителе 12 накапливается рабочая жидкость, которая по заданному алгоритму посредством дозатора 13 возвращается в ферментер или через паростерилизуемый разъем 15 вытесняется в сборник продукта ферментации.

Паростерилизуемый разъем 15 обеспечивает подключение к раздаточному штуцеру 16 любых внешних устройств в асептических условиях. Для выполнения этой процедуры, с раздаточного штуцера 16 снимают заглушку 17 и на ее место надевают шланг, свободный конец которого пережат, например, пружинным зажимом. Место стыка нестерильных полостей шланга и раздаточного штуцера 16 стерилизуют насыщенным водяным паром, который подают в образованный стыковочный узел через клапан 27 и отводят из него через клапан 28. После стерилизации стыка клапаны 27 и 28 закрывают, открывают пружинный зажим и включают программу работы дозатора 13.

При включении указанной программы открывается клапан 30 и рабочая жидкость из газожидкостного разделителя 12 загружается в дозатор 13, при этом, мембрана 14 принимает нижнее положение, а воздух из подмембранной полости вытесняется в атмосферу. После полного заполнения надмембранной полости дозатора клапан 30 закрывается, открывается клапан 31 (если рабочую среду необходимо вернуть в ферментер) или клапан 29 (если необходимо произвести слив продукта ферментации) и в подмембранную полость подают сжатый воздух, посредством которого осуществляется разгрузка дозатора по одному из вышеуказанных вариантов.

Термостатирование рабочей среды в ферментере осуществляется посредством проточного теплообменника 23, через который осуществляют проток хладо- или теплоносителя.

Повышение производительности и снижение себестоимости получаемых биопродуктов обеспечивается за счет:
- активизации газообмена, осуществляемого через свободную от пены поверхность рабочей жидкости при высокой скорости смены ее поверхностного слоя;
- аэратора указанной конструкции и указанного размещения трубки уровня рабочей среды в ферментере, позволяющих организовать наиболее эффективную продувку наджидкостной полости ферментера.

- использования полезного объема ферментера на 90% и более, что позволяет уменьшить газовую полость в ферментере и, как следствие, расход аэрирующего воздуха для ее активной продувки.

- встроенного газожидкостного разделителя с дозатором, включенных в байпасный контур ферментера, что позволяет стабилизировать уровень рабочей жидкости в ферментере, очищать от капельной жидкости отработанный воздух, поступающий на бактериальный фильтр, и производить управляемый слив продукта в процессе ферментации;
- уменьшения наджидкостной поверхности ферментера и использования нижнего приводного вала насоса, подверженных загрязнению продуктами ферментации, что особенно важно при использовании дорогостоящих субстратов.

Изобретение относится к пищевой и медицинской промышленности. Ферментер включает емкость с крышкой, снабженную расположенной в ней циркуляционной трубой с раструбом, насосом и патрубками для протока воздуха и рабочей жидкости. В раструбе укреплены отбойные пластины. Ферментер содержит байпасный контур для циркуляции рабочей жидкости. На дне емкости по периметру радиально укреплены направляющие пластины для создания в ней направленного потока рабочей жидкости. Под крышкой емкости размещен аэратор. Байпасный контур содержит газожидкостный разделитель, связанный трубопроводом с установленной в емкости трубкой заданного уровня рабочей жидкости, и мембранный дозатор, подключенный трубопроводами к газожидкостному разделителю и емкости. Аэратор выполнен в виде кольцевого коллектора с радиально расположенными отверстиями. Изобретение обеспечивает повышение производительности и снижение себестоимости получаемых биопродуктов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Ферментер, включающий емкость с крышкой, снабженную расположенной в ней циркуляционной трубой с раструбом, насосом и патрубками для протока воздуха и рабочей жидкости, укрепленными в раструбе отбойными пластинами, и байпасный контур для циркуляции рабочей жидкости, отличающийся тем, что на дне емкости по периметру радиально укреплены направляющие пластины для создания в ней направленного потока рабочей жидкости, а под крышкой емкости размещен аэратор, при этом байпасный контур содержит газожидкостный разделитель, связанный трубопроводом с установленной в емкости трубкой заданного уровня рабочей жидкости, и мембранный дозатор, подключенный трубопроводами к газожидкостному разделителю и емкости. 2. Ферментер по п. 1, отличающийся тем, что аэратор выполнен в виде кольцевого коллектора с радиально расположенными отверстиями.